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“先进制造”让美国看到翻盘机会

2016-8-9 14:48:32      点击:
       两年前,耐克公司推出名为Flyknit的全新跑鞋。与工人密集守在流水线上剪裁、拼接、缝纫、粘贴的传统制鞋工艺不同,这种鞋是织出来的。一台由计算机精密控制的编织机将轻型合成线织成一张完整的鞋面,鞋面接上鞋舌和鞋底后就变成了成品。Flyknit结实又轻巧,穿在脚上有“第二层皮肤”的贴合感。相比普通跑鞋,Flyknit可减少面料浪费80%,重量减轻近一半,耗费的人工和生产时间也大为缩减。8 Q  |% r2 `" a" T3 \

  通用电气公司是全球主要喷气发动机供应商,其一直是用铸造和焊接工艺生产发动机燃油喷嘴。在手掌大小的喷嘴中,有20多个金属小零部件,需要耗费很多工时焊接。现在,通用电气准备改用3D打印,将电脑控制的激光束精准投射在钴铬合金粉末上,使其融化在预定位置,以20微米的厚度层层叠加,最后形成喷嘴。3D激光打印新工艺更省时省料,成品更轻,可使飞机更加省油。, _  p4 H% e! L1 I

  近年来,越来越多的美国企业正在引入先进的制造技术,颠覆小到跑鞋、大到飞机发动机部件的制造过程。在美国决策者看来,“先进制造”是振兴美国制造业、刺激就业增长、提升全球竞争力的机遇。: @/ f) b. L* x# l# O( d

  政府积极推动“先进制造”
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  “先进制造”是指制造业对信息技术、自动化技术、计算技术、软件技术、传感技术和网络技术等加以综合运用,以新技术、新材料、新工艺改造现有产品制造方式,或研发新产品。9 U+ |! m2 Y, [5 O
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  先进制造技术的快速发展源于一系列集中出现的趋势。比如,云计算和大数据服务成本低,易于获取;使机器更智能的电子传感器、微处理器等部件造价大为降低;软件和通讯技术越来越先进,全面提升制造业管理的精确程度,并催生新的合作形式等。

  美国在推进先进制造方面具备显著优势。在发展先进制造技术时,复杂的软件设计是关键之一。美国是软件开发最先进的国家,在软件行业长期称霸。世界上80%的软件是在美国开发,全球百强软件业领军企业有65%的总部在美国。美国领先的部分原因是在计算机科学教育和研究方面的传统实力,同时也得益于创新文化、吸引世界最佳人才的硅谷企业家精神等因素。/ u/ t. O* A0 [' d/ C9 l
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  另一方面,美国的制造业正面临巨大挑战。2000年,美国约三分之一的制造业工作岗位流失海外。而近年来先进制造技术的迅速发展让美国看到了翻盘的机遇。美国国内一些人士认为,美国不应再与低制造成本的国家竞争,竞相趋劣,而应把精力集中在能产生高价值、提供高薪资、在环保上可持续、短期内不易被其他国家复制的制造业活动,也就是先进制造业。奥巴马在2014年国情咨文中宣称,美国有机会在下一波高技术制造业就业岗位的竞争中压倒其他国家。" D3 ]8 d: [: R* q; U  v
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  为落实振兴制造业的战略,奥巴马政府在2012年宣布出资10亿美元,打造一个全国制造业创新网络,首批包括15个制造业创新研究所。这个网络以政府与产、学界合作的方式,通过共同投资有广泛应用的先进制造业技术,加速创新,缩小从基础研究、产品研发到产品制造和商业化之间的差距,旨在帮组企业特别是小企业获取尖端制造能力和设备,为培养和培训适应先进制造业要求的技术工人创造环境。根据美国政府计划,在未来10年内,加入全国制造业创新网络的制造业创新研究所数量将增加到45个。  M. k( \; B$ y
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  与此同时,联邦政府还增加了对先进制造研发项目的投资。2013财年的投资额为2亿美元,较上一年增加近两成。投资项目涉及先进材料、智能制造、生物制造等领域。

  “创新研究所”专注技术研发
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  “制造业创新研究所”是创新研发机构的统称,其中不同的研究所有各自的关注领域,因此具体名称各异。但它们的共同目的都是增强美国制造业的竞争力,刺激新企业诞生,促进地方经济发展。
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  制造业创新研究所分布在全国各地,由所在地的高校或有实力的相关企业牵头。参与组建的各级政府部门以及来自全国的研究机构、企业、高校、劳工组织等都是利益攸关方。制造业创新研究所的运作资金来源为联邦政府投入,加上私营部门和非联邦政府机构的配比投资。两年来,已经有4个制造业创新研究所相继成立,还有4个正在筹建中。0 K% ]6 a: w- q; b& S- C

  首先成立的试点是位于俄亥俄州扬斯敦的全国增材制造(即3D打印技术)创新研究所,又名“美国制造”。这个研究中心专注于帮助美国增强3D打印技术的实力,目前有20多个合作研究项目正在进行。作为一种快速成型技术,3D打印正在改变制造业游戏规则,可以应用于航天、汽车、消费品、医疗器械、食品等一系列制造行业。

  国防部、能源部和其他相关联邦政府部门向“美国制造”先期投入了3000万美元,包括制造商、大学、社区学院、非营利组织等在内的100多个成员配比投资逾4000万美元,这显示了业界对参与制造业创新研究所的热情。各成员进行设计、材料、技术、劳动力等方面的合作,并享受诸多好处,比如获得新的研发资金、知识产权以及仅向成员提供的数据等。
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  继“美国制造”之后的3个制造业创新研究所都是在竞争的基础上产生的。北卡罗来纳州立大学领导的“下一代电力电子学制造业创新研究所”由能源部投入7000万美元,25个成员配比投资,重点是推动研发高功率、节能电子芯片和设备。这项技术将使工业马达、个人电子设备、电网支持设备、军用卫星等运行更快、体积更小、效率更高。3 I" e) q7 U0 F$ r9 o' d0 C

  总部在芝加哥的“数字制造和设计创新研究所”由伊利诺伊大学实验室主导,以国防部为主的联邦政府部门投入7000万美元,73个成员单位的配比投资超过2.3亿美元。研究所在世界领先的制造商与尖端软件公司之间建立起合作关系,主要解决各种设计、工程、制造和维护系统之间相互转换数据的问题。$ w2 D  q! ]: }5 @1 ^
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  总部在密歇根州底特律的“轻型和现代金属制造业创新研究所”由爱迪生焊接研究所主导,国防部为此投入7000万美元,成员单位有60个,主要是解决轻型、高性能金属及合金产品在制造过程中的障碍,扩大这些产品的市场。
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  总体来看,每一个制造业创新研究所都在力争成为世界领先的制造业技术地区中心,涵盖设计、研发、生产、供应链、技工培训等制造业各个环节,相当于形成一个制造业创新生态系统。  i) p; `" s3 x; k( x" T

  公私合作刺激企业创新

  制造业创新研究所由政府牵头建立、协调并资助,私营实体跟进投资、具体落实,显示政府部门与私营部门的有力合作。公私合作关系是美国联邦政府推动先进制造的一个方式,事实上也是美国创新生态系统的一个重要部分。联邦政府资助研发项目,通过政府采购等措施推动新技术产业化,这些都有助于营造鼓励企业研究、创新的环境。

  历史上,公私合作关系对于美国研发世界前沿技术起到关键作用。比如,国防部的支持和推动引导私营公私取得互联网、全球定位系统、半导体等重大科技成果。硅谷的诞生和兴起尤为典型地表明政府扶持对科技研发的影响。曾有评论认为,如果没有国防部的投资和支持,硅谷或许不会像今天这样成为全球微电子研发和生产的驱动力。- p; e8 f  N! N" e. P

  先进制造的技术创新和突破需要持续而大量的投资,但相关的前沿技术研究通常存在较大技术和市场风险,企业等私营部门往往不愿给予足够投入,担心不能充分享有投资所产生的收益。另外,私营企业利润率缩减,获得的银行贷款等外部资本减少,缺乏投资新技术的能力。对此,联邦政府率先提供支持就显得很有必要。政府的支持可分为不同途径体现,包括直接拨款和公私合作等不同方式,其中公私合作研发更能带动私营部门的跟进投入,刺激创新积极性。* D; z( ]' I3 T/ Y, ~3 n
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  企业积极拥抱先进技术1 H) W4 ]8 G6 B5 ^& z0 h) P( j; X

  在联邦政府倡导建立全国性、规模化先进制造技术研究中心的同时,美国许多企业也在各自努力拥抱先进制造技术,打破传统方式,提升竞争力。目前,实行先进制造的工厂已经大量采用机器人、计算机、激光以及其他现代技术。在美国中西部最新建造的几架汽车制造厂,生产车间的工人手里最常用的工具不再是扳手和改锥,而是平板电脑。; `8 T( H/ \3 H9 n

  以本文开头时提到的通用电气公司为例,其将用激光打印取代传统的铸造和焊接工艺,在3年内每年生产2.5万个3D打印钴铬燃油喷嘴,并将其用于新型喷气发动机。通用还在探索将3D打印技术应用于其他产品的制造,将打印材料扩展到范围更广的金属合金,比如钛铝和镍铬合金。, [# s+ G  v, x& b: d
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  通用电气在纽约州的一家新建钠镍电池厂实现了工业互联网和大数据管理,引起业内关注。一万多个传感器布满近1.7万平方米的生产空间,它们都与一个高速内部网络连接,跟踪和收集多项动态数据,比如用来烤制电池陶瓷内芯的粉末的批次、烤制的温度、生产每个电池的耗电量,甚至还有所在地的气压。员工用平板电脑从厂区无线网络调取数据。管理人员即使下班后,也可以通过智能设备及时接收传感器发出的报警信息,查看传感器记录的情况,以便做出应对。技术人员利用在工厂生成的海量数据不断改进工艺流程,查堵问题。

  产学合作培训技术人才
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  先进制造对劳动者的素质提出更高要求,他们需要掌握设置、跟踪和控制制造工艺流程的生产技能,不断改进制造工艺流程的加工设计及开发技能,还需要掌握扎实的计算机技能,具备理解复杂生产工序的能力,以及有效进行团队合作的能力。

  美国的社区学院承担着培养劳动大军的职能。联邦政府两年前建立了80亿美元的社区学院职业发展基金,目标是培训200万技术工人,直接填补高标准要求的工作岗位,其中就包括先进制造业工作岗位。这些资金将用于支持社区学院与企业开展培训技术人才的合作计划。& n& N1 J  u, i: {# U- [+ B* G3 `

  制造业创新研究所的功能之一是“训练工厂”,以其所集合的丰富资源,为教育和培训各个层次的学生、工人提供独特的机会。
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  美国一些制造业企业与教育、培训机构也在尝试合作办学的人才培养方式。这些试行项目把课堂培训与亲手实践相结合,吸引年轻人学习先进的劳动技能。比如,西门子美国公司和其他6家技术公司与北卡州皮德蒙社区学院联合开展“学徒2000”计划。参加该项目的高中毕业生既在社区学院学习,又到西门子的一家涡轮机制造厂工作,两者交替进行。学生不仅不用交学费,而且无论是学习还是工作,都领取薪水。3年半后毕业时,学生即被西门子美国公司录取为正式员工,工资待遇甚至比4年制大学本科毕业生还高。此外,他们还获得机械电子专业副学士学位和被很多公司承认的技师证书。

  相类似的还有国际商用机器公司(IBM)2011年启动的“早期学院高中技术之路计划”。这个项目从9年级(相当于初三)开始,学生同时学习高中与学院的课程,特别注重科学、技术、工程和数学方面的科目,兼学一些职场技能,例如领导能力、沟通能力、解决问题的能力。毕业时,学生同时获得高中文凭和计算机信息系统或机电工程技术专业副学士学位,并可以优先应聘IBM的入门级职位。

  西门子公司高管在一份报告中说,21世纪的竞争优势将取决于国家和地区推动先进设计和制造的能力。虽然先进制造技术还处在早期阶段,但各国均认识到制造业正在启动新一轮高技术浪潮。除了美国之外,德国、中国和韩国等国家也都在大力推进先进制造战略。美国能否在激烈竞争中抢占产业新制高点,领导下一次制造业革命,目前尚难定论。